基于行波测距法的高速铁路贯通线故障定位研究

2022-03-26朱明轩

家园·电力与科技 2022年2期

朱明轩

摘要：近年来我国高速铁路飞速发展，为人们的远程出行提供了极大便利，供电系统为高速铁路的正常运行提供动力，应对其可靠性提出更高要求。本文着眼于电力贯通线这一供电系统中的薄弱环节，通过分析行波测距法的基本原理，结合高速铁路供电系统的特点，提出了一种适用于电力贯通线故障定位的D型行波测距方案，并在MATLAB/Simulink平台上建立模型进行仿真分析，验证该方法的可行性和准确性。

关键词：高速铁路;电力贯通线;行波测距

0 引言

高速铁路供电系统主要由两部分组成：牵引供电系统和电力配电系统[1]。其中，牵引供电系统为电力机车提供牵引动力，直接关系到列车的可靠运行;电力配电系统为车站和沿线的全部非牵引电气负荷承担供电任务，是高速铁路信号系统的唯一供电电源，不仅关系到车辆的正常运行，也为职能部门的正常工作提供保障。

车辆的长期运行数据和大量学者的研究表明，高速铁路供电系统故障主要起因为电缆的故障[2]，而电力贯通线在条件允许的地区多采用沿沟槽敷设电力电缆的形式，供电距离长且发生故障后难以直接发现故障点，故障后多采用人工巡线的方式分段查找故障点，因此是高速铁路供电系统的薄弱的环节。本文针对该问题，研究一种适用于高速铁路电力贯通线更加精确的故障定位方法。

1 行波测距原理与方案设计

目前学者们研究的测距方法大体分为阻抗法和行波法[3]。阻抗法目前已經不适用于精度要求较高的测距场合，近年来行波法成为电力线路故障定位的研究热点与研究前沿。

1.1 测距原理

输电线路某处发生故障会瞬时产生向线路两端传播的暂态行波，且在线路上阻抗不连续点处发生折反射现象，因此，线路上某点可能会多次监测到故障行波的抵达。通过检测与准确记录故障暂态行波抵达监测点的时刻，可以间接计算出行波监测点与故障点间的距离，实现故障的测距。在此思想下，行波测距法经多年发展主要分为A、B、C、D四种类型[2]，其特性如表1所示：

鉴于D型行波测距法不需要人工单独施加脉冲信号发生器，对瞬时性和永久性故障均有良好的适用性，且相较于A型测距法其算法简单，避免了行波折、反射造成的影响，因此是实际工程中的优选方案。

D型测距法需要在线路两侧各设置一个行波监测点，采集故障初始行波的抵达的时刻，图1所示为D型测距法中故障行波的传播路径示意：

设故障初始行波抵达监测点M与监测点N的时刻分别为tM与tN，行波在该线路上传播速度为v，则根据速度距离公式可以推导出以下关系：

1.2 误差分析

D型行波测距误差模型如图2所示。

由式（3）可以看出，在研究D型行波测距法时应该考虑到线路长度、行波波速、行波抵达其中工程中线路的实际长度很难获得，但在故障测距中需要将行波监测点间线路长度作为已知量提前给定，该因素造成的测距误差不可避免。

行波波速v与光速c同等数量级，若线路参数已知，暂态行波在电力线路上的传播速度由下式计算获得：

对于行波抵达时刻的标定实质上是对行波波形突变点的识别与提取过程。传播常数γ反映了行波在线路上的传播特性[3]：

式中，α为衰减常数，反映行波信号传播过程中幅值的衰减;β为相位常数，反映行波信号传播过程中速度的衰减。α和β的值与信号频率相关联。行波中频率越高的分量传播速度越快，幅值衰减也越大，在行波上体现为波头上升时间被拉长，坡度变缓。一般将行波波头第一个极大值点出现的时刻认定为行波的抵达时刻，本文小波选用变换（WT）的信号分析方法对波头极值出现时刻进行检测。

1.3 故障定位方案

根据前文所述的电力电缆线路的D型行波测距法及行波暂态量分析方法，本文研究采用的高速铁路电力贯通线D型行波法故障测距方案分为以下步骤：

（1）对于发生故障的贯通线路区段，在其两侧配电所M与配电所N处采集故障电压波形;

（2）提取两端三相暂态故障电压波形进行Karenbaner变换得到故障暂态电压的α、β模分量;

（3）将电压模分量进行小波分解，得到分解后的三层高频分量与低频分量，选取第三层高频分量进行分析，提取第一个信号突变时刻;

（4）根据步骤三中奇异信号检测方法中提取的第一个信号突变时刻得到故障行波波头第一次抵达线路两端测量点的时刻tM与tN，采用D型行波测距公式计算故障点位置。

2 仿真分析

2.1 仿真模型与仿真参数

本节对图3中提出的算法进行仿真分析，以验证上述方案的适用性与准确性。在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建M、N两配电所间的电力贯通线仿真模型，M配电所与N配电所间距40km，中间设置21个箱式变电站。该模型相关仿真参数设置如下：

仿真时长0.2s，采样频率1MHz，系统在0.1s时发生故障，此后在两配电所处采集故障行波分量并进行相关算法验证。

2.2 仿真过程

采用小波变换（WT）提取行波波头的方法对电力贯通线故障进行D型行波法测距，仿真中每隔3个箱变进行一次故障测距，并对仿真结果进行分析。

系统运行0.1s时，设置在距离M配电所第6个箱变处，即故障距离L为10.235km处发生AG故障，故障接地电阻Rf=10Ω，两配电所处监测点M与监测点N检测到三相故障电压信号。截取系统故障后2ms内的暂态信号并对其作Karenbauer变换，可将三相完全换位线路解耦为α模和β模两个独立的线模分量，及一个0模分量。一般单相接地故障与三相故障选用α模分量，两相故障选用β模分量[4]。

AG故障下将三相电压故障相量转换为α模量，并采用MATLAB小波工具箱中db4小波基对故障电压α模分量进行分解，分解层数j=3，M端得到的电压故障行波三层低频信号与高频信号如图3所示。

上图中，左侧为α模分量分解后的三层低频信号（近似波形），右侧三层高频信号（细节波形）。从细节信号波形图中可以得到行波波头的抵达监测点M的时刻，取小波分解后的第三层高频信号进行分析，如图4所示：

在D型行波測距法中关心第一个行波波头的抵达时刻，在图4（a）中取信号第一个突变点的局部放大波形如图4（b）所示。可以看出，故障行波第一次到达测量端M对应的离散采样点数为78，根据1MHz的采样频率，折算出故障行波第一次到达测量端M的时间tM为78us。同理，可以得到故障行波第一次到达测量端N的时间tN为226us。

2.3 结果分析

根据式（4）计算出线模行波波速，再结合式（1）中给出的D型行波测距公式，计算出故障点距离测量点M与距离测量点N的区间长度tM、tM分别为10.198 km、29.071 km。